（机械工程专业论文）烧碱溶液浓度在线测控系统的研究.pdf

摘要 丝光是纺织品前处理的重要工序之一，由于在丝光过程中需要耗费大量的烧 碱，使烧碱成为了整个印染加工中使用量最大的化学品。烧碱的用量不仅直接决 定了纺织品加工的成本，同时残余碱液的排放也会影响到印染厂终端污水处理的 负荷。此外，烧碱的浓度是丝光工序的关键参数，它直接关系到纺织品加工的质 量及丝光处理的效果。因此，本文对烧碱溶液浓度的在线检测和自动化控制进行 了研究。希望通过碱液的快速在线测控技术，来有效的降低碱液的排放量，实现 节约烧碱用量，降低生产成本，保证丝光加工的质量，以及满足清洁生产的需求， 从而促进整个染整行业向着节能环保的方向发展。 本系统采用比重法进行碱液浓度的检测。检测装置由力学传感器和浮子组 成，基于阿基米德原理对溶液浓度变化所引起的浮子受力变化信号进行采集，因 此在标定过程中需要建立被测溶液浓度与所得电信号之间的关系并通过试验建 立碱液浓度检测的标准，对碱液浓度电测法进行校对。并检验环境温度对所测浓 度值的影响，建立温度补偿。对浓度检测机构进行优化，以克服零负载时浮子重 力对力学传感器的冲击。从而实现丝光碱回收过程中工艺参数快速、准确的在线 检测。此外，系统采用p l c 作为系统的控制核心，采用积分分离p i d 控制算法对 浓度偏差信号进行调节并作用于电动调节阀，从而控制浓碱和水的流量，使碱槽 中的碱液浓度始终保持恒定。 最后通过人工滴定方法对检测结果加以验证，所测结果不仅可以满足工艺所 需精度，且具有一定的实时性。本系统同样适用于其他范围内碱液浓度的测控， 可根据具体工艺要求进行参数更改和量程标定。 采用烧碱溶液浓度在线测控系统有效的降低了传统人工滴定引入的误差，提 高了纺织品加工的质量，具有实时性，能够满足企业连续生产的要求。此外，系 统各部分通过溢流管道或泵相连接，实现了碱液在整个系统中快速的循环和回 用，有效降低了碱液的排放，节约成本，减少了排放终端污水处理的负荷。即具 有经济价值，又具有环保意义。 关键词：丝光；在线检测；浓度控制；烧碱溶液 a b s t r a c t m e r c e r i z a t i o ni so n eo fi m p o r t a n tp r o c e s s e si np r e - t r e a t m e n to ft e x t i l e s b e c a u s e m e r c e r i z a t i o nr e q u i r e sal o to f c a u s t i cs o d a , c a u s t i cs o d ab e c o m e st h el a r g e s tc h e m i c a l c o n s u m p t i o ni nt h ew h o l ed y e i n gp r o c e s s n o to n l yd o e st h ec o n s u m p t i o no fc a u s t i c s o d ad e t e r m i n et h ec o s to ft e x t i l ep r o c e s s i n g b u ta l s oe m i s s i o no fr e s i d u a la l k a l i a f f e c t st h et e r m i n a l1 0 a do fs e w a g et r e a t m e n ti n d y e i n gf a c t o r y i na d d i t i o n t h e c o n c e n t r a t i o no fc a u s t i cs o d ai sac r t i c a lp a r a m e t e r , a n di ti sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h e t e x t i l ep r o c e s s i n gq u a l i t ya n dt h ee f f e c to fm e r c e r i z a t i o n a c c o r d i n g l y , t h ew o r ki n t h i sp a p e rf o c u s e so nd e v e l o p i n go n l i n em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mo fc a u s t i c s o d as o l u t i o n c o n c e n t r a t i o n h o p e t h a t t h r o u g ho n l i n em e a s u r e m e n t - c o n t r o l t e c h n o l o g yo fl y ec o n c e n t r a t i o n , t h ee m i s s i o no fa l k a l ii se f f e c t i v e l yr e d u c e d ，s a v i n g t h em o u n to fc a u s t i cs o d ai sr e a l i z e d ，t h ep r o d u c t i o nc o s t si sr e d u c e d ，t h ep r o c e s s i n g q u a l i t yi sa s s u r e da n dt h er e q u i r e m e n to fc l e a n e rp r o d u c t i o ni sm e t s ot h a ti tc a n p r o m o t et h ed e v e l o p m e n to ft h ew h o l ed y i n ga n df i n i s h i n gi n d u s t r yt o w a r ds a v i n g e n e r g y t i l es y s t e mu s e st h ep r o p o r t i o nm e t h o dt om e a s u r et h el v cc o n c e n t r a t i o n n e m e a s u r e m e n td e v i c ei sc o m p o s e do ff o r c es e n s o ra n df l o a t ，a n db a s e do na r c h i m e d e s p r i n c i p l e ，i tm e a s u r e ss i g n a l sc a u s e db yt h ec h a n g e so ff l o a t ，w h o s em e c h a n i s mi sd u e t oc h a n g e so ft h es o l u t i o nc o n c e n t r a t i o n s od u r i n gt h ec a l i b r a t i o np r o c e s s ，t h e c o n n e c t i o nb e t w e e nt h ec o n c e n t r a t i o no fs o l u t i o na n de l e c t r i cs i g n a l sn e e d st ob eb u i l t ， a n dt h es t a n d a r dt o t e s tl y ec o n c e n t r a t i o ns h o u l db ed e v e l o p e dt h r o u g 血t e s t s t h e p u r p o s e i st oc a l i b r a t et h em e t h o do fm e a s u r e m e n t 。a n dt e s te n v i r o n m e n t t e m p e r a t u r e s i n f l u e n c eo nc o n c e n t r a t i o ni n o r d e rt or e a l i z e dt e m p e r a t u r e c o m p e n s a t i o n i na d d i t i o i li t i sn e e d e dt oo p t i m i z et h ec o n c e n t r a t i o nm e a s u r e m e n t d e v i c e t oo v e r c o m et h ef o r c ec a u s e db yt h eg r a v i t yo ff l o a to ns e n s o rw h e nt h e r ei s n o b u o y a n c y t h e r e f o r e ，t h e f a s ta n da c c u r a t eo n l i n em e a s u r e m e n to fl y e c o n c e n t r a t i o ni nt h er e u s ep r o c e s so fm e r c e r i z i n gl y ei sr e a l i z e d i na d d i t i o l l t h i s s y s t e mu s e sp l ca st h ec o n t r o l l i n gc o r e a n de m p l o y si n t e g r a ls e p a r a t ep i dc o n t r o l a l g o r i t h mt oa d j u s tc o n c e n t r a t i o ne r r o rs i g n a la n da c to ne l e c t r i cc o n t r o lv a l v e s ot h e f l o wr a t eo ft h el y ea n dw a t e rc a r lb ec o n t r o l l e d , a n dt h ec o n c e n t r a t i o no fl y ei nt h e s o a kt r o u g hc a nb em a i n t a i n e ds t a b l e f i n a l l y , t h er e s u l t sw e r ev e r i f i e db ya r t i f i c i a jt i t r a t i o n t h er e s u i t ss h o wt h a tt h i s m e t h o dc o u l dr e a c ht e c h n o l o g ya c c u r a c y , a n dh a sr e a l - t i m ec a p a b i l i t y , w h i c hm e a n si t c o u l dr e a l i z ec o n t i n u o u sp r o d u c t i o n t h i ss y s t e ma l s oa c c o m m o d a t e st h eo t h e rr a n g e o fl y ec o n c e n t r a t i o nm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l , a n dc a nc h a n g ep a r a m e t e r sa n d c a l i b r a t i o nr a n g ea c c o r d i n gt ot h ep r o c e s sr e q u i r e m e n t u s i n go n l i n em e a s u r e m e n t a n dc o n t r o l s y s t e mo fc a u s t i cs o d as o l u t i o n c o n c e n t r a t i o nc o u l ds u c c e s s f u l l yr e d u c ee r r o rc a u s e db yt r a d i t i o n a lm a n u a lt i t r a t i o n , i m p r o v eq u a l i t yo ft e x t i l e ，p o s s e s sr e a b t i m ec a p a b i l i t y , a n dr e a l i z et h en e e do f c o n t i n u o u s p r o d u c t i o n f o r e n t e r p r i s e s i na d d i t i 0 i l i e a c hp a r to ft h es y s t e mi s k q 啊o r d s ：m e r c e r i z a t i o n ；o n l i n em e a s u r e m e n t ；c o n c e n t r a t i o nc o n t r o l ；l y e 学位论文的主要创新点 | i 掣l l lr 2 it o i i l 5 ii9ir 4 r lf 5 rl 攀 一、本系统采用比重法进行碱液浓度的在线检测，这种方法既适 用于淡碱液的检测，又适用于浓碱液的检测。在标定过程中，建立了 比重法所测烧碱溶液密度与浓度之间的非线性拟合关系曲线，并由此 建立了被测溶液浓度与所得电信号之间的关系并通过试验建立碱液 浓度检测的标准。对浓度检测机构进行优化，以克服零负载时浮子重 力对力学传感器的冲击。从而实现丝光碱回收过程中工艺参数快速、 准确的在线检测。 二、在烧碱溶液浓度控制过程中，采用多模态积分分离p i d 控制 算法，克服了传统碱液浓度过程控制中采用普通p i d 控制引起的碱液 浓度超调，有效地减少了烧碱的使用量，降低了生产成本，提高了控 制精度，保证了丝光加工的质量。 第一章前言 1 1 研究的背景和意义 第一章前言 近些年，国内外染整机械行业呈现出了蓬勃发展势头。且伴随着控制理论、 计算机技术、可编程控制器等先进技术的发展与应用，涌现出了一批具有先进工 艺和技术的新型染整机械设备，不断推动染整行业向着环保、节能、高效的方向 发展。为了满足染整行业可持续发展的要求，染整各工序中的污水处理、资源回 用等环节受到了日益广泛的关注，且工业过程的检测与控制技术在这些环节中的 应用已提上日程。 其中，在纺织品前处理过程中丝光工序要耗费大量的烧碱，使烧碱成为整个 印染加工中使用量最大的化学品。烧碱的用量不仅直接决定了纺织品加工的成 本，残余碱液的排放也会影响到排放终端污水处理的负荷。因此，本课题对烧碱 溶液浓度在线测控系统进行了研究，将其应用于丝光加工过程中，希望通过与过 滤系统的配合，构成丝光机碱液循环回用系统，力求节约烧碱用量，并实现丝光 机碱液浓度的快速在线检测与自动化控制。 课题研究的意义主要包括以下几个方面： ( 1 ) 环保意义 众所周知随着我国经济的飞速发展，伴随而来的资源短缺、环境污染等问题 也在日益加剧。因此企业使用清洁生产技术，以及在生产过程中采取有效的节能 减排措施将成为企业发展生产力，提高企业竞争力，适应社会发展的重要环节。 而印染行业是我国典型的重污染行业之一，其所排放的印染废水具有水量 大、种类多、色度高、成分复杂和污染严重等特点，如果将各部分废水混合后再 处理，很难找到合适的解决工艺，因此在治理中应清浊分流、分质处理、分段回 用( 2 】o 丝光机碱液的循环利用很好的沿用了这一理念，它直接在丝光处理过程中实 现碱液的回收、利用，无须与印染过程中其它工艺产生的废水混合处理，是对丝 光工艺及其设备的一种有效的改进方法。这种方法不仅有效地降低车间排放污水 的碱度，减少印染厂排放终端污水处理的负荷，而且能够实现了企业清洁生产的 要求，具有较强的环保意义。 ( 2 ) 经济价值 染整行业已成为我国水资源消耗和废水排放的主要源头之一，亟待从印染工 天津工业大学硕士学位论文 艺、印染设备、污水排放、废水回用等多个环节加以改善。一方面我国印染行业 水资源重复利用率落后于制造业平均水平，仅为7 ，而单位产品耗水量却是发 达国家的3 倍左右u 。另一方面烧碱是整个染整加工中使用量最大的化学品。 因此，采用碱液循环利用系统可以有效的从这两个方面进行节能降耗，有效 的提高烧碱和水的利用率，以达到资源充分利用及推动印染行业可持续发展的目 的。此外，采用碱液循环利用系统可以避免传统蒸发浓缩丝光污碱工艺对热能的 消耗，以及减少排放终端中和污水中碱度所需要消耗的酸。可以看到本系统的应 用能够有效的降低丝光生产的成本，有利于企业的节能降耗，具有很大的经济价 值。 ( 3 ) 质量保证 目前国内一些印染企业仍采用传统的人工滴定方法测定碱液浓度值。这种做 法效率较低，容易引入人为误差，且明显的滞后于生产过程。这样做常常影响到 生产质量，无法满足连续生产的要求。 本系统利用浓度传感器对碱液浓度进行快速在线检测与反馈，实现了工艺参 数的实时反馈可以有效的提高工艺的再现性和控制的精度，这样不仅满足了连续 生产的需求，也保证了丝光加工的质量。 1 2 国内外发展现状 1 2 1 溶液浓度检测技术的发展现状 丝光机碱液的循环利用就是让在丝光工艺中不断污染和稀释的烧碱溶液经 过滤和浓度测控系统，自动保持在工艺所需碱液浓度范围之内，并重新回用于丝 光工艺的过程。 在这一过程中，碱液浓度的在线检测是系统研究的关键。虽然不同的检测方 法依据的原理不同，但普遍是基于连续测定溶液的折射率、电导率、密度等物性 常数之一，并将所得检测信号转换变送成需要的溶液浓度信号值。因此根据不同 的检测原理，各种溶液浓度检测技术也随之产生。 据报道，在国外的丝光机中采用比重法测量碱液浓度者较多，如美国普林柯 公司、福克斯波罗公司，瑞士普宁梅特公司的a c c i i i 型自动控制碱液浓度装置、 贝宁格公司的高速丝光机的碱浓度控制装置，日本苛性碱浓度自动调整装置及一 些碱减量连续加工设备上浓碱浓度的监控h 。图1 - 1 所示为美国普林顿公司监测 溶液密度时使用的在线液体密度计。 第一章前言 到 各 进液 图卜1 在线液体密度计结构原理示意图( 4 该液体密度计采用质量平衡技术对液体密度进行检测。它具有一个独特的专 利传感腔。传感腔内为附有校正链的全浸铅锤，设计上使其在所测密度范围的中 点达到平衡位置。由于校正链连接在一固定的基准点上，且以链重等于浮力的重 量时为基准。当工艺中溶液密度发生变化时，就会改变铅垂与基准点之间的链条 重量，使铅锤移动到一个新的平衡位置。这一垂直位置上的移动量可用线性差动 传感腔里的l v d t 检测。由此获得与溶液密度相关的交流信号。 而国内早期则出现了用于碱液浓度在线检测的差压法。如1 9 9 4 年曹景森旧1 等完成了1 0 0 一- 4 0 0 9 l 碱液浓度在线检测控制的研究。其主要原理是在被测溶液 容器壁上、下分别安装压力传感器，两只传感器所测压力之差与被测溶液密度成 比例，通过线性回归分析计算出其浓度值。该控制器精度可达l ，经国际联网 文献检索，在国内外尚属首例。丛锦华。根据n a o h 溶液的电解质特性，对较高 浓度( 1 0 0 3 0 0 9 几) 的n a o h 溶液采用差压法测定。并配合相应的数学模型进行 计算和修正，通过计算机使浓n a o h 溶液配制和检测快速、方便。使用s m i t h 预 估控制加碱过程，克服了加碱过程不可避免的滞后效应给检测带来的影响。不仅 实现了过程的自动化且完全符合生产进度的要求。差压法自动检测示意图如图 i - 2 差压法自动检测示意图所示。 天津工业大学硕士学位论文 f 1 1 ：2 图1 - 2 差压法自动检测示意图( 5 已知安装在不锈钢圆筒一侧的差压传感器h 1 与h 2 之间的距离为，浓n a o h 溶液和水分别由控制阀f 1 和f 2 加入筒内，并于微机控制系统连接共同组成控制 系统。设啊为距传感器h 1 的液位高度，鼻为传感器h 1 测定的压力值，设吃为距 传感器h 2 的液位高度，罡为传感器h 2 测定的压力值，p 为n a o h 溶液密度，可 得下列关系式 由( 1 - 1 ) 式得： p = 置一最1 = a p i ( 1 2 ) 因此当卜一定时，p 只与压差舻成正比。通过测定不同浓度n a o h 溶液的压 力差凹值就可以得到相应的溶液密度值，最后线性回归关系式便可求出该密度 所对应的烧碱溶液浓度值。 目前，针对丝光碱液在线检测技术的研究还比较少。但是广泛用于各种溶液 浓度的检测方法却多种多样，原理各异。国内外各种溶液浓度检测方法主要包括： ( 1 ) 浮力检测法：李明等介绍了一种内置型全浸浮子液体密度测量仪。 该测量装置由浮子和测力传感器等组成。原理是通过两根杆或弦分别将浮子上下 与测力传感器连接，当液体密度发生变化时浮子上下杆或弦中的拉力随之变化， 通过传感器将上下拉力变化量转化为电流信号输出，从而实现液体密度的测量。 o p ， a 忍 l i = 啊 玩 厂，、l 第一章前言 实验通过双向测力，避免了现有浮子式结构和测力式结构仅仅对浮子或重球单向 测力，从而造成测量范围受到限制以及测量值滞后所存在的问题，并且实现了对 流动中液体的在线测量，能广泛用于生产线上进行高精度的测量。李一博哺1 等提 出了多浮子相对位移法，解决了如何将被测液体密度转换为磁致伸缩液位传感器 便于测量的位移量这一关键问题。杨卫平憎1 等将由应变片组成的载荷传感器用于 液体密度测量，可将力信号通过传感器转化为电信号，实现了液体密度的实时测 量。姚久民u 训等采用力学传感器做了液体密度实时测量系统，并指出在其他影 响因素不变时，浮子体积越大，液体密度相对误差越小。 ( 2 ) 声波检测法：i k e d a ，k n 1 1 把通过最小二乘法建立的经验公式应用于温 度补偿电路，所得超声波液体浓度传感器精度可达0 0 1 。卢杰u 副等介绍了超声 法测定n a o h 溶液浓度的原理，浓度、温度及声时关系的测量结果，以及智能化 超声波n a o h 溶液浓度在线检测仪的结构、提高精度的方法。r e i n h a r d s c h n i t z e r u 副等提出了一种体声波压电谐振式传感器，可用于多种物理量的在线 测量，其原理是基于对传感器导纳曲线轨迹的测量。 ( 3 ) 光纤检测法：r f a l c i a i u 刮等提出了一种用于在线测量液体浓度的长 周期光栅光纤传感器，这种传感器在测量危险品浓度( 如n a o h 溶液) 以及应用 于传感器无法接触的测量过程( 如冷冻系统) 时，具有较强的优势。其测量精度 甚至超过了传统的a b b e 折射计。2 0 1 0 年焦佳u 训等根据全反射原理、f r e s n e l 公 式及l a m b e r t 定律，证明了低浓度溶液与折射率和吸光度之间的线性关系，得出 光纤出射光强度随液体包层浓度变化呈现出负指数变化关系，并由此得出利用光 的强度调制便可实现溶液浓度检测，即通过对光强变化的测量，检测出待测溶液 的浓度。实验表明，强度调制光纤传感器可以实现溶液浓度检测。c h i a r a l e m e g h i n i u 州等基于拉曼光谱学用液芯空气包层微结构光纤进行了乙醇溶液浓 度检测。 ( 4 ) 电导法：王兴刚u 等分析得出高浓度丝光碱液的电导率及其浓度呈非 线性关系，并将实验所得数据进行回归处理，得出碱液浓度数学模型。王玉华u 酬 等采用光电子元件和运算模块组成检查部分，并结合以a t 8 9 c 5 1 单片机为核心控 制模块组成智能检查仪表对溶液浓度进行检测。 ( 5 ) 电位法：d o n gf a n g w u u 剀等根据电化学原理提出了基于z i g b e e 无线网 络技术的丝光棉碱液浓度监测系统。 ( 6 ) 振动法：该检测法主要基于谐振原理，通过谐振子的振动特性来实现 测量目的瞄w 。隋修武嵋u 等在对圆筒谐振子的数学模型计算和有限元分析的基础 上，设计了一种新型的谐振式液体密度传感器。该传感器由双端固定的圆筒谐振 子、自动增益和相位调节的测量电路、c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机信号处理系统组成，具 天津工业大学硕士学位论文 有对压力变化不敏感和智能温度补偿的功能。c h r i s t i a nr i e s c h 幽1 等介绍了检 测液体特性的谐振式悬臂梁，且建立了相似模型，并通过曲线拟合得到了模型参 数。 1 2 2 碱液浓度控制系统的发展现状 要想实现丝光碱液循环利用，不仅要掌握碱液浓度快速、准确的在线检测技 术，还需要根据所测碱液浓度判断是否偏离设定值，进而通过自动控制系统使其 恢复到工艺所需浓度范围之内。 国外染整设备自动化程度较高，如贝宁格公司的d i m e n s a 直辊丝光机，全机 采用微机控制，对碱液浓度、温度、液位等均可实行自动控制憎副。以及瑞士普 宁梅特公司的a c c i i i 型自动控制碱液浓度装置h 。和荷兰的布鲁格曼设备比刮等均 对丝光过程中碱液浓度进行了有效的测量与控制。 下面以日本东海染工生产的商品m e t e r - v 为例瞄副，对国外较为先进的碱液 浓度测控过程进行介绍，系统示意图如图1 3 所示。 图卜3 丝光碱浓度的检测示意图 洗净水 该系统采用连续测定碱液折射率的方法来获取碱液浓度值。除碱槽外系统另 外设置了调整槽，调整槽通过泵向碱槽输入碱液，并且碱液补给和浓度调整均在 其中进行，碱槽中的碱液则以溢流的方式回流。在2 分钟内进行两槽问的全液循 环，以消除浓度梯度。对泵出口处的碱液进行采样，输入到m e t e r - v 控制柜中， 第一章前言 通过折射率测定仪进行碱液浓度的连续测定，当测定值和设定值间产生差异时， 控制柜将指令碱补给阀( 提高高于工艺浓度的原碱) 或自来水阀动作。此外，当 调整槽内碱液因为工艺消耗而液位下降时，控制自来水阀补水，同时碱补给阀也 会根据碱浓度差值信号产生动作，直到调整槽内碱液到位并符合工艺浓度要求为 止。 由于过程检测、控制理论的发展，国内碱液浓度的控制也有了很大的进步。 张竹林比刮等在丝光机械中用可编程控制器和触摸屏代替了原有的单片机，采用 模块组装方式，提高了系统的可靠性和可替换性。由于丝光过程中碱液浓度较高， 该系统先对待测碱液进行采样和稀释后再进行数据采集，有助于延长传感器的使 用寿命，使数据采集结果更加准确。 董威瞄列等用p h 复合电极测量稀释后的碱液的p h 值，计算出碱液的浓度。 其检测原理是依据复合电极在具有不同p h 值的碱液中产生的电位差不同，来完 成碱液p h 值测定的，又由于稀释后的碱液其浓度值与p h 值具有一一对应的关 系，来进一步获得碱液浓度值。检测流程图如图l - 4 所示。系统选用c 8 0 5 i f 0 2 2 单片机作为控制器，通过计算的结果来对碱液进行加水或者碱液来达到控制碱液 浓度恒定的目的。该检测方法的缺点是在检查高浓度碱液时，由于碱液已经达到 饱和状态，无法直接用p h 计进行测量，需要按一定比例加水稀释，操作过程比 较复杂。 图1 - 4 p h 复合电极碱液浓度检测流程图 黄德强乜4 1 等介绍了其公司对国产直辊布铗丝光机所进行的改造，改造后的 系统采用双向分流系统对淡碱液进行循环利用，并增添了常州宏大自动侧配碱控 制系统，实现了浓、淡碱双变量自动调配检测。该系统对丝光过程中产生的淡碱 液通过多个途径进行了合理的循环利用，达到了企业降低成本、节能降耗的目的。 天津工业大学硕士学位论文 王守长脚。等介绍了某印染厂丝光机碱液浓度测控系统，以此为基础，将西 门子s 7 - 2 0 0p l c 与电动阀、传感器等相结合，对原有的控制系统进行改进，建 立了碱液浓度和液位的实时测控系统，并介绍了系统的结构图和p l c 程序设计 流程图。 顾胜娜瞄刈等基于p l c 设计了双闭环流量比值控制系统控制碱液流量，该系 统不仅采用了多模态控制，且具有可变增益、可变积分时间常数的智能控制特点， 实现了碱液的自动配比。如图1 - 5 所示为该控制系统原理图，在此系统中浓碱为 主物料处于主导地位，淡碱为从物料跟随浓碱的流量变化，从而实现浓碱与淡碱 之间的流量配比关系。 浓碱 淡碱 图卜5 浓碱一淡碱双闭环流量比值控制系统原理剜 杨丽英1 3 0 等针对工业中经常遇到的液位控制问题提出了一种控制系统，该 控制系统对高低储蓄罐的液位进行控制，并在对液位进行控制的同时对所需物质 的浓度进行配比。对液位进行控制时设置了高低液位限的声光报警，各个液位输 送泵之间具有互锁保护功能。 1 3 丝光工艺介绍 纺织工业在国民经济和人们的日常生活中扮演着十分重要的角色，是关系着 国计民生的重要产业。进入2 l 世纪，纺织工业仍是在我国国民经济中占有举足 轻重地位的支柱型产业。随着我国加入w t o 组织以后，我国纺织业在为我国工业 化积累资金、扩大就业、出口创汇等方面发挥了更大的优势，同时作为世界工业 化发展进程中的先导产业，它不断带动着冶金、机械、化工、运输等其他产业的 发展3 。 第一章前言 目前，我国已成为名副其实的纺织大国，但由于我国纺织业技术装备仍低于 世界先进水平，成为制约我国纺织业发展的瓶颈，我国纺织业仍处于世界的中低 水平。另一方面，技术装备的落后也会增加生产过程中的能耗和污染，无法满足 企业清洁生产的要求。最后，落后的技术装备将直接导致生产过程中产品质量的 下降，这和目前市场需求由产量向质量的转换以及消费者不断增长的流行、时尚 的观念是相矛盾的。因此，先进技术装备的开发与应用是企业节能降耗、可持续 发展、提高生产质量、推动我国向纺织强国发展的主要途径。 染整行业是纺织工业中的重要组成部分，它是对纺织品进一步进行精加工、 深加工、提高其附加值，使其满足服装、装饰、工业以及国防对纺织品性能和质 量需求的一系列加工工艺瞪训。而纺织品前处理工程则是印染加工的基础，一般 针对棉、毛、麻、丝、化纤、针织物、纱线等不同原材料，需要采取的前处理工 序也各异。其中棉织物的前处理工序主要包括坯布准备、烧毛、退浆、精练、漂 白、丝光等工序。纺织品前处理的目的是为了去除原材料所含有的各种杂质、浆 料、污物等，并使纺织品充分发挥优良的品质，使其外观洁白，质感柔软、光滑 且具有良好的渗透性以及纤维排列的均匀性，为后续印染加工提供了合格的半成 品，是提高纺织品附加值的重要环节，也是满足客户日益增长的质量需求的保障。 丝光工艺是纺织品( 主要包括织物和纱线) 前处理的关键工序之一。它通常 是指在一定张力条件下，用浓烧碱溶液处理纤维素、纤维纺织品的加工工艺1 。 1 8 4 4 年，英国科学家麦瑟发现棉布在浓烧碱中产生收缩和增厚现象，且对染料 的吸附能力也会随之增加。因此丝光加工也被称为麦瑟处理( m e r c e r i z i n g ) 。这 种碱处理方法包括两种：一种是在张力的条件下，用浓烧碱处理棉及棉型织物， 使其保持所需尺寸，并获得丝一般的光泽，通常称之为丝光，多用于处理机织物； 另一种是纺织品在松弛的情况下用烧碱处理，使纺织品紧密且富有弹性，这个过 程叫做减缩，常用于针织物的加工。 丝光工艺的作用主要有如下几点： ( 1 ) 使纺织品获得良好的光泽，这也是衡量丝光产品外观效果的主要指标 之一； ( 2 ) 提高和改善棉纺织品的尺寸稳定性，主要表现在门幅的稳定和缩水率 的降低； ( 3 ) 提高了纺织品的染色性能和渗透性，同时提高了纤维的强度，增加了 纺织品的拉伸强度。 正是因为丝光工艺的这些作用，使绝大多数棉及棉型纺织品在进行染色和印 花等工序前，都需要进行丝光处理。以提高纺织品整体的加工性能和最终的成品 质量。 天津工业大学硕士学位论文 1 4 丝光工艺原理分析 丝光过程是一系列复杂的化学和物理化学变化过程，纤维素的变化可以表示 如f ：。 n a o h h 2 0 i - i , o 纤维素i ，n a - 纤维素- h 2 0 纤维素 ： - 纤维素 天然纤维素碱纤维素水合纤维素 丝光纤维素 在用浓烧碱溶液处理天然棉纤维时，由于钠离子体积小，同时又具有很强的 水化能力，在其周围的水分子形成很厚的水化层，这些含有水化层的钠离子不仅 可以进入纤维的无定形区，还能渗透到纤维的部分结晶区，并使晶格发生一定程 度的改变，将部分结晶区转变为无定形区。在这一过程中纤维素i 便转换成了碱 纤维素，使纤维素发生了不可逆的剧烈溶胀，纤维的截面由腰子形转变为圆形， 胞腔趋于消失；纵向的天然扭转消失，在适当的张力下使纤维拉伸，变成表面光 洁的圆柱体，对光线产生规则的反射，提高了纺织品的光泽。并且由于无定形区 含量的增加，纤维的吸附性和化学活泼性得到了提高，从而提高了纺织品的染色 性能。此外这种剧烈的膨胀，使纤维无定形区和部分晶体区的氢键被打开，在张 力的作用下，纤维素大分子进行取向而重新排列，在稳定的位置上建立起新的氢 键，提高了织物的尺寸稳定性，降低了缩水率，提高了染色的均匀性。而且无论 有无张力，这种分子取向、结晶度、结晶尺寸以及形态上的重大变化，都可以消 除纤维中的集中应力，使纤维受力均匀，增加了纤维的强度。碱纤维素最后经水 洗水解成水合纤维素，最终经脱水烘干变成丝光纤维素劓。至此，丝光过程 完成。 1 5 丝光设备 纺织品丝光都是在丝光机上进行的。丝光机主要分为布铗丝光机、直辊丝光 机和弯辊丝光机三种。丝光机均由浸碱装置、扩幅装置、去碱装置和平洗装置组 成。其中布铗丝光机应用较为普遍，它的特点是扩幅效果较好，有利于提高织物 的光泽，降低纬向缩水率，但是操作不当易产生破边、裂肚等废品，且不易处理 宽幅织物。直辊丝光机可对织物进行多浸多轧，使碱液渗透均匀，不会发生破边， 且容易操作，具有节能降耗等优势，但它最大的缺点是幅宽不及布铗丝光机稳定， 难以避免纬向收缩，织物缩水率较大h 副。弯辊丝光机容易使纬纱变成弧状，从 而造成经- 纬密度分布不均，在工业实践中应用不多哪。目前，为了弥补上述 传统丝光设备的缺点，各种改进的新型丝光设备和先进技术不断产生，例如高速 直辊布铗丝光机、松堆直辊布铗丝光机等联合丝光机都得到了很好的应用。 第一章前言 由于丝光机种类不同，所采用的工艺流程也不同，下面以布铗丝光机为例简 要介绍一下丝光加工工艺流程及所需工艺条件。 布铗丝光时织物多采用冷丝光工艺( 1 0 - - 2 0 ) ，一般浸轧碱液浓度为 2 6 0 2 8 0 9 几，浸浓碱时间控制在5 0 , - 一6 0 s ，并使经、纬向都受到一定张力。然 后进行伸幅、洗淋，在张力条件下使每千克干织物上的带碱量降低至7 0 9 以下且 要保证织物幅宽达到要求，才能去除张力，在去碱蒸箱内继续去碱至5 9 以下， 并通过进一步的中和水洗和洗涤使织物的p h 值达到7 , - 8 ，最后对织物进行轧水 烘干以及落布，至此丝光工艺完成u 制。 1 6 丝光工艺条件 可以看到，在丝光工艺过程中，有很多工艺参数需要加以控制，由于这些工 艺参数的不同，得到的丝光效果也不同。影响丝光效果的外界客观因素主要有以 下几种： ( 1 ) 碱液浓度 织物丝光一般采用连续浸轧的方式，由于丝光过程中碱液处于不断污染和稀 释的过程中，浸碱槽碱液浓度会逐渐低于工艺浓度，所以碱液浓度有浸碱槽碱液 浓度和补给液浓度之分，传统工艺中两者之比一般为0 7 ：1 ，而今由于工艺的改 进，这一比值受到纤维结构、补充碱液速率、工艺车速等多方面因素的影响，已 不再是定值h “。在丝光过程中，烧碱溶液是否能够顺利渗透到微胞内部决定了 纤维的溶胀程度及棉纤维形态的变化，这将直接影响到丝光工艺的综合效果。已 知n a o h 与h z 0 组成的水化物能进入纤维素微胞内的直径为l n m ，烧碱溶液浓度对 这种渗透性的影响如表1 1 所示： 表卜1 烧碱溶液浓度对钠离子水化物渗透性的影响3 7 3 水化物水化物 n a o h 溶液浓度 渗透情况 组成形式 直径 1 2 6 9 ln a o h 1 2 h 2 0远大于l n m无法进入微胞内部 属于溶剂化偶极水可进入高侧序晶区，但 1 5 4 9 ln a o i t i o h 2 0 化物类型直径偏于上限 1 8 0 9 l n a 0 h 8 6 h 2 0 小于i n m能进入微胞 ( 2 ) 温度 天津工业大学硕士学位论文 由于烧碱与天然纤维素形成碱纤维素、与水生成水化物以及引起微胞溶胀均 为放热反应，根据l ec h a t e l i e r 原理可知，降低碱液温度有利于纤维的溶胀和 生成纤维素。因此碱液温度越高，产品的收缩率和上染率就越小，从而降低了 丝光的效果。但是要维持较低的碱液温度，就需要很大的冷却设备和电力的消耗， 同时温度降低会使碱液粘度显著增大，扩散性能变差，不利于碱液向织物内部渗 透，甚至由于织物表面首先发生剧烈溶胀，进一步阻碍了碱液向其内部渗透，而 引起表面丝光。因此，冷丝光时通常使碱液温度维持在2 0 为宜。 近些年来，随着人们对热丝光理论的研究，热丝光工艺也逐渐得到了认可和 应用。早在1 9 7 6 年b e c b t r e 就证明6 0 下浸碱就可以获得较好的丝光效果旧副。 实践表明，碱液浓度和时间一定时，纤维的平衡溶胀值( 最大溶胀率) 随温度升 高明显下降，达到6 0 几乎不再变化。但同样条件下，温度的升高却能明显的 提高溶胀的速度，即要想达成同样的溶胀率，热碱丝光仅为冷丝光浸碱时间的 1 3 1 2 ，大大缩短了浸碱区设备的长度。同时，由于温度升高使碱液粘度降低， 加快了碱液向织物芯层的扩散，且避免了织物的表面丝光，因为碱液向芯层渗透 性好，使整个织物丝光度一致、纤维排列疏松，达到均匀丝光、提高织物光泽和 柔软度得目的。 ( 3 ) 张力 根据浸轧碱液时是否施加张力，可将丝光工艺分为紧式丝光和松堆丝光。由 上述丝光原理分析可知，没有张力织物就不会产生光泽，因此即便是松堆丝光在 浸碱后仍需要在张力条件下对织物进行水洗，才能使织物获得与紧式丝光相同的 表面光泽度，但需要的张力较大。此外张力的增大有利于提高纺织品的光泽和强 度，但是当张力超过使织物恢复到收缩前长度的范围时，光泽度将不会增加，却 使断裂延伸度和吸附性能降低，甚至影响到织物的使用性能。所以要根据织物品 种，选择合适经、纬的张力，争取在各项指标之间取得平衡。 1 7 小结 本章节主要介绍了烧碱溶液浓度测控系统的研究背景和意义，它是以纺织品 前处理中的丝光工艺作为研究背景，具有节约资源，降低成本，保证丝光加工质 量等实际意义。此外，对目前碱液浓度测控系统的国内外研究现状进行了总结， 并以此为基础提出了自己的见解和看法。最后对丝光工艺的原理、设备以及丝光 加工的条件进行了介绍，可以看出碱液浓度是影响丝光加工质量的关键因素，也 是影响丝光工艺生产成本的主要原因，为此对丝光机进行碱液浓度的快速在线检 测与控制具有一定的实际意义和经济价值。 第二章烧碱溶液浓度在线测控系统总体方案 第二章烧碱溶液浓度在线测控系统总体方案 2 1 研究内容与系统方案 2 1 1 系统研究内容 通过第一章的介绍可以知道，在纺织品丝光加工的过程中，影响其加工质量 和工艺效果的因素有很多，但是烧碱溶液浓度的影响尤为突出，这主要是因为在 此过程中烧碱溶液浓度必须达到某一临界值以后，才能使织物纤维产生不可逆的 剧烈溶胀，再选择合适的温度、张力等其他工艺条件，使织物获得良好的丝光工 艺效果。此外，棉纤维的亲碱性要比亲水性高的多，当织物通过浸碱槽时使碱槽 中的工作碱液处于不断污染和稀释的过程中，随着时间的延续，碱液浓度不断下 降，无法满足工艺所需浓度要求。而且客户对纺织产品的要求逐渐趋于小批量、 多品种、复杂化，采用传统的人工滴定测定碱液浓度以及手动配碱的方法已无法 快速适应工艺条件的变化。 因此，本文以纺织品前处理过程中的丝光工艺作为研究背景，对烧碱溶液浓 度在线测控系统进行了研究，以实现丝光机碱液浓度的快速在线检测和浓度控 制，从而保证碱槽中的碱液始终保持在工艺所需浓度范围之内，以及满足连续生 产和工艺再现的要求。 2 1 2 系统总体方案设计 系统总体方案的设计包括过滤系统设计和烧碱溶液浓度在线测控系统设计 两大部分。目的是为了实现残余碱液的净化和浓度在线的监测与配比，最终实现 丝光过程中烧碱溶液的循环利用。丝光机烧碱溶液在系统中的自动循环利用过程 如图2 - 1 所示，且对该过程的说明如下： 丝光工艺在浸碱槽即工作碱槽内完成，因此浸碱槽内的碱液处在不断污染和 稀释的过程中。首先将浸碱槽内稀释后的残余碱液由泵打入过滤系统，再将净化 后的残余碱液溢流到配碱槽，整个系统烧碱和水的补给需要在配碱槽内完成。由 于配碱槽内的碱液波动较大、速度较快，为了保证检测精度，需将一部分碱液引 入检测槽进行浓度检测。传感器将所测浓度值以电信号的形式反馈给p l c ，控制 器根据偏差的大小和方向按一定的控制规律运算，并发出控制信号对电磁阀开通 时间进行调节，从而控制浓碱液和水的流量，使配碱槽内的碱液浓度始终维持恒 天津工业大学硕士论文 定。靠泵实现系统中碱液的快速循环，使配碱槽和浸碱槽中的碱液浓度基本保持 一致。 图2 - 1 丝光机碱液循环利用系统框图 信号 定碱 浓度 本文主要研究的内容是上述循环利用系统中的烧碱溶液浓度在线测控系统， 该系统包括碱液浓度检测和碱液浓度控制两个关键环节。 2 2 系统的硬件及组成 本系统采用台达d v p 4 0 e h 0 0 t 2 p l c 作为整个系统的控制核心，其具有2 4 点输 入，1 6 点输出，最大可扩展i o 点数为5 1 2 个，存储容量为1 6 k 步，该控制器 以高速、稳健、高可靠度等特点被广泛应用于生产过程控制中，它不仅功能强大 具有丰富的指令集、多元扩展功能卡和高性价比等特色，还能够快速执行逻辑运 算且支持多种通信规范，使生产过程控制系统连成一个整体恻。 由于系统检测到的碱液浓度、液位等信号，以及控制调节阀